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뜨거울수록 강하다- 레늄(Re) - 목록

조회 : 9915 | 2012-05-02

바람아 불어라
고도 9~10 km인 대류권과 성층권의 경계면인 대류권계면에서는 제트기류가 흐른다. 북반구에서는 서쪽에서 동쪽으로 흐르며, 겨울에는 북위 35o에서 시속 130 km로, 여름에는 북위 50o에서 시속 65 km 정도로 빠르게 흐른다.
제트 기류는 2차 세계대전 당시 미군 폭격기가 아시아에서 임무를 마치고 복귀할 때 더 빠른 것에서 알려졌다. 그러나 이미 1920년대 초 일본의 기상학자가 발견하였으며, 일본은 풍선에 매단 폭탄을 제트기류를 이용하여 미국을 공격하기도 했다.
‘제트’란 빠른 기체나 물의 흐름을 말한다. 마찬가지로 항공기의 엔진에서 연소된 뜨거운 기체의 빠른 흐름, 즉 제트가 발생하기 때문에 제트엔진, 제트기라 한다.
특히 비행기는 제트기류를 이용해서 비행한다. 즉 미국행 항공편은 제트기류(Jetstream Route)를 타지만, 돌아올 때는 제트기류를 피해 북극항로(Great Circle Route)를 이용한다. 이렇게 비행할 경우 서울에서 로스앤젤레스까지는 10시간 30분 정도 걸리지만, 반대는 13시간 이상 걸린다.

 

제트기류

제트 기류를 이용한 폭탄

 

제트기류흐름

제트기류의 흐름

 

제트기 시대로
1903년, 라이트 형제의 플라이어호에 장착한 내연기관 엔진은 추진력에 비해 너무 무거웠다. 게다가 당시 프로펠러의 재료로는 초음속 회전을 견딜 수 없었기 때문에 비행기의 성능에는 한계가 있었다. 이를 해결한 것이 가스 터빈, 즉 제트 엔진이다.
뒤쪽으로 고속의 가스를 분출하여 나아가는 제트 기관은 휘틀(1907~1996)이 고안하였다. 하인켈(1888~1958)은 1939년 이를 비행기를 적용한 최초의 제트기를 제작하였다. 이로서 제트엔진 항공기 시대를 열었으며 2차 세계대전 이후 제트기는 본격적으로 활용되었다.

 

최초의제트기
최초의 제트기 하인켈 178 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) USAF

 

레이더와 스텔스
2차 세계대전에 결정적인 영향을 미친 것은 제트기와 레이더였다. 레이더는 대상물에 발사된 전자파가 반사되어 돌아오는 시간으로 대상물까지의 거리나 형상을 측정하는 장치이다. 그러나 레이더도 스텔스 기 앞에서는 무용지물이 되고 만다.
스텔스란 ‘은밀하게 조용히 이뤄지는 일’을 뜻한다. 즉, 스텔스 기는 상대의 레이더에도 자신의 위치를 노출시키지 않으면서 작전을 수행하는 최첨단 비행기인 것이다. 
스텔스 기의 비밀은 무엇일까?
레이더는 빛의 반사를 이용한다. 스텔스 기의 표면은 레이더를 흡수하거나 다른 방향으로 반사시키도록 되어 있다. 즉, 레이더가 몸체에 닿을 때 수직으로 닿지 않도록 스텔스 기의 표면을 처리하는 것이다. 그림처럼 레이더가 몸체에 ‘예각’으로 닿는다면 레이더는 몸체의 면과 면 사이를 반복하다가 흡수되어 버린다.

 

 스텔스기

원리

스텔스기 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Koalorka 와 그 원리

 

제트엔진의 원리
제트 엔진은 흡입한 공기를 압축하여 연소기에서 연료와 연소된다. 이때 생기는 고온의 연소 가스가 분출될 때의 반작용에 의해 추진력을 얻는다. 제트엔진의 강력한 힘으로 대형 비행기가 제작되었으며, 세계를 일일생활권으로 탈바꿈시켰다. 
이러한 제트 엔진은 무엇보다도 높은 열에 견딜 수 있어야 한다. 레늄의 녹는점은 3,180 도로 텅스텐보다 낮지만, 마모에 강하며, 부식이 잘 되지 않는다. 그러나 텅스텐은 가공하기 어렵기 때문에 레늄을 사용한다. 1925년, 독일에서 발견된 레늄의 이름은 라인 강에서 유래한다.  
 

터보팬엔진
F-15E에 장착되는 터보팬 엔진 / (cc) U.S. Air Force photo by Sue Sapp

 

콩코드기
1976년, 대서양 항로에 취항한 콩코드기는 18 km 상공에서 시속 2,000 ㎞ 이상으로 비행하여 3시간 반 만에 대서양을 횡단하였다. 당시 콩코드기는 첨단기술의 상징이었다.
그러나 콩코드기가 초음속을 돌파할 때 엄청난 소음이 났으며 연료 소모가 많아 논란이 됐었다. 또한 기체가 오래 되면서 유지비와 천만 원에 이르는 비싼 항공료 및 승객 전원이 사망하는 추락 사고가 발생하면서 2003년에 운행이 중단되었다. 최근 2012년 런던 올림픽을 기념하는 기념 비행을 계획하고 있기도 하다.

 

콩코드기
콩코드기의 위용 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC) Arpingstone 

 

환경 지킴이
레늄은 제트 엔진의 재료로 연료 절약에 기여할 뿐만 아니라, 원유의 정제에서 중요한 촉매로 작용한다. 원유에는 탄소와 수소로 이루어진 탄화수소 화합물과 불순물이 섞여있다. 따라서 원유는 사용하기 전에 불순물을 제거하고, 여러 성분으로 분리해야 한다. 
먼저 기화시킨 원유를 증류탑에서 설정된 온도에 따라 다양한 성분으로 분리하는 분별증류 과정을 거친다. 이때 30~200도에서 휘발유, 60~380도에서 등유, 200~350도에서 경유, 그리고 증류탑의 가장 아래에서는 황이 많이 포함된 벙커C유가 얻어진다.
벙커C유 등의 중질유는 품질이 낮아 원유보다도 더 싸다. 그렇지만, 이것을 수소나 촉매를 이용하여 나프타, 경유, 중유 등의 비싼 경질유를 얻을 수 있다. 원유를 1차로 정제하면 배럴당 천 원 정도의 이익이 남지만 고도화 설비로 정제하면 만 원 이상의 이익이 발생한다.

분별증류 
원유의 분별증류 과정 / 위키백과(www.wikipedia.org) (CC)Psarianos

 

이들 중 자동차용 연료로 사용하는 가솔린은 옥탄가가 높은 탄화수소를 사용해야하는 데 증류된 가솔린은 옥탄가가 낮다. 따라서 이 가솔린은 여러 가지 방법으로 개질된다. 그 중 하나가 백금-레늄 촉매에 의해 중질 나프타를 고옥탄가 가솔린으로 개질시키는 리포밍이다. 백금-레늄 촉매는 다른 촉매와 달리 황이나 인 등의 불순물이 있어도 오래 사용할 수 있다.

 

열전쌍
온도계에는 알코올 온도계, 수은 온도계, 바이메탈 온도계 등이 있다. 그러나 이들로는 수백 도 이상의 고온을 측정할 수 없다. 그렇다면 수 천도의 온도는 어떻게 측정할까?
레늄은 높은 온도를 측정하는 열전 온도계 재료로 사용된다. 어떻게 측정할까? 금속의 한 쪽을 가열하면 운동이 활발해진 전자는 차가운 곳으로 확산한다. 따라서 차가운 곳은 음전하를, 따뜻한 곳은 양전하를 띠기 때문에 양 끝에 전위차가 발생하며 이를 제벡(Seebeck) 효과라 한다. 

 

열전온도계
열전 온도계의 원리

 

따라서 양 끝의 전위차로부터 온도를 측정할 수 있다. 제벡 효과를 이용한 온도계를 열전 온도계라 하며 고온에 잘 견디는 금속을 사용하는 것이다. 이리듐과 로듐을 이용한 열전대는 2,000 도, 텅스텐과 레늄 합금을 이용하면 3,000 도까지 측정할 수 있다.  

 

최초의 온도계
기체의 성질을 이용하여 최초로 온도계를 제작한 사람은 갈릴레이였다. 그는 주전자에 붉은 포도주를 반 쯤 채우고 따뜻하게 가열된 목이 기다란 플라스크를 거꾸로 세웠다. 그리고 포도주를 가느다란 관의 중간 정도 끌어 올려서 공기 온도계를 만들었던 것이다.

 

공기온도계
공기 온도계와 갈릴레이

 

이 온도계의 원리는 온도의 변화에 따른 공기의 팽창과 수축이다. 온도가 올라가면 공기 온도계의 유리구 안에 있는 공기가 활발하게 운동한다. 따라서 공기는 팽창하면서 물기둥이 내려간다. 반면에 온도가 내려가면 공기가 수축하기 때문에 물기둥이 올라간다. 온도계의 구부는 주전자가 아니라 플라스크의 둥그런 부분이다.
갈릴레이 공기 온도계는 주전자의 입구로 공기가 통하기 때문에 주전자 안의 물에 작용하는 힘은 대기압이다. 따라서 날씨가 맑은 고기압인 날과 흐린 저기압인 날에 측정한 온도는 실제 온도와는 오차가 있기 때문에 지금은 사용하지 않는다. 이처럼 갈릴레이는 지동설과 운동의 법칙뿐만 아니라 온도의 변화와 같은 다양한 분야에 관심을 갖고 있었다. 
최근에는 장식용 갈릴레오 온도계가 제작되었다. 이것은 큰 실린더 안의 액체와 작은 유리구의 밀도 차이를 이용한다. 

장식용 갈릴레오 온도계 갈릴레오온도계
장식용 갈릴레오 온도계

 

온도가 상승하면 실린더 안의 액체가 팽창하면서 밀도가 감소하지만, 유리구는 크기가 일정하기 때문에 밀도가 일정하다. 따라서 상대적으로 무거워진 유리구가 가라앉는 것이다. 그림에서 파란색 유리구는 22℃이며 빨간색은 24 ℃를 나타내기 때문에 현재 온도는 약 23 oC이다.
이처럼 온도에 따른 액체의 부피 변화를 갈릴레오가 발견했기 때문에 장식용 갈릴레오 온도계라 부른다.

주제!
물질
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